電源" target="_blank">開(kāi)關(guān)電源，這一利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)的電源類(lèi)型，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定的輸出電壓。它通常由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成，這兩種核心組件共同協(xié)作，確保電源的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

開(kāi)關(guān)電源IC(集成電路)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包含以下核心模塊：

核心控制模塊

采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制器，通過(guò)調(diào)整脈沖寬度來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。例如，DC/DC降壓芯片通過(guò)檢測(cè)輸出電壓反饋信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比以維持穩(wěn)定輸出。 ?

驅(qū)動(dòng)電路

包含功率放大器或?qū)Ｓ抿?qū)動(dòng)模塊，將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為足夠驅(qū)動(dòng)功率MOS管的高電流信號(hào)。例如，LM2675芯片通過(guò)內(nèi)部運(yùn)放電路放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制外部MOS管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 ?

保護(hù)機(jī)制

集成過(guò)流保護(hù)、欠壓鎖定(UVLO)等功能模塊，當(dāng)輸入電壓異常或負(fù)載突變時(shí)自動(dòng)關(guān)閉輸出或調(diào)整功率。部分高端芯片還包含EMI濾波模塊以減少電磁干擾。 ?

反饋回路

通過(guò)光耦或電阻分壓網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)輸出電壓，將信號(hào)反饋至控制模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。例如，光耦器件將輸出電壓變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，調(diào)整PWM頻率補(bǔ)償電壓波動(dòng)。 ?

不同型號(hào)的開(kāi)關(guān)電源IC(如DC/DC、AC/DC轉(zhuǎn)換器)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在差異，但核心設(shè)計(jì)邏輯(PWM控制+功率輸出級(jí))是共通的。 ?

開(kāi)關(guān)電源的工作原理及其電路圖詳解

開(kāi)關(guān)電源，顧名思義，其工作原理類(lèi)似于一扇可控制的門(mén)。在這扇“門(mén)”的背后，實(shí)際上是由可控硅或開(kāi)關(guān)管等元器件來(lái)執(zhí)行開(kāi)啟和關(guān)閉的操作。這些元器件通過(guò)基極或控制極上的脈沖信號(hào)來(lái)控制其導(dǎo)通與截止。當(dāng)脈沖信號(hào)的正半周到來(lái)時(shí)，控制極上的電壓會(huì)升高，從而使得開(kāi)關(guān)管或可控硅導(dǎo)通。此時(shí)，220V的電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波后，會(huì)輸出一個(gè)300V的電壓，并通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器傳遞到次級(jí)。通過(guò)變壓比的作用，這個(gè)電壓會(huì)被升高或降低，以供應(yīng)給各個(gè)電路使用。

而當(dāng)振蕩脈沖的負(fù)半周到來(lái)時(shí)，電源調(diào)整管的基極或可控硅的控制極電壓會(huì)降低到低于原先的設(shè)置值，導(dǎo)致電源調(diào)整管截止。這時(shí)，300V的電源會(huì)被關(guān)斷，開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)也就沒(méi)有了電壓。此時(shí)，各電路所需的工作電壓就由次級(jí)本路的整流濾波電容進(jìn)行放電來(lái)維持。

如此循環(huán)往復(fù)，待到下一個(gè)脈沖信號(hào)的正半周再次到來(lái)時(shí)，整個(gè)過(guò)程會(huì)重新開(kāi)始。這個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器被稱(chēng)為高頻變壓器，其工作頻率遠(yuǎn)高于50Hz的低頻。

那么，如何產(chǎn)生推動(dòng)開(kāi)關(guān)管或可控硅的脈沖信號(hào)呢?這需要借助一個(gè)振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。晶體三極管在基極對(duì)發(fā)射極電壓達(dá)到0.65-0.7V時(shí)處于放大狀態(tài)，超過(guò)0.7V則進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，而在-0.1V至-0.3V之間則工作在振蕩狀態(tài)。通過(guò)調(diào)整其工作點(diǎn)并利用負(fù)反饋來(lái)產(chǎn)生負(fù)壓，從而使得振蕩管開(kāi)始振蕩。振蕩管的頻率則由基極上的電容充放電的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定，進(jìn)而影響到電源調(diào)整管的輸出電壓大小。

那么，如何穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)輸出的工作電壓呢?通常，我們?cè)陂_(kāi)關(guān)變壓器上僅繞制一組線圈，利用其上端獲得的電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波后，形成基準(zhǔn)電壓。隨后，通過(guò)光電耦合器將這個(gè)基準(zhǔn)電壓反饋至振蕩管的基極，從而調(diào)整振蕩頻率的高低。當(dāng)變壓器次級(jí)電壓升高時(shí)，取樣線圈輸出的電壓也會(huì)相應(yīng)升高，進(jìn)而通過(guò)光電耦合器獲得的正反饋電壓也升高。這個(gè)升高的電壓加到振蕩管基極上，會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率降低，進(jìn)而穩(wěn)定次級(jí)輸出電壓。詳細(xì)的工作原理過(guò)于復(fù)雜，我們只需了解大致過(guò)程即可。值得注意的是，大功率的電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器傳遞，并與后級(jí)電路隔開(kāi)，以確保安全。同時(shí)，返回的取樣電壓也由光耦傳遞并與后級(jí)隔開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)了前級(jí)市電電壓與后級(jí)的完全分離，這就是我們所說(shuō)的冷板技術(shù)，確保了開(kāi)關(guān)電源的安全性。

圖 開(kāi)關(guān)電源原理圖

在這張開(kāi)關(guān)電源工作原理圖中，我們可以清晰地看到電源的各個(gè)組成部分以及它們之間的相互作用。從輸入端的交流電源開(kāi)始，經(jīng)過(guò)整流、濾波等處理，最終轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源輸出，為負(fù)載提供所需的電能。這個(gè)過(guò)程不僅涉及到電路的基本原理，還包括了功率轉(zhuǎn)換、電磁兼容等多方面的技術(shù)。通過(guò)這張?jiān)韴D，我們可以更深入地了解開(kāi)關(guān)電源的工作機(jī)制和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖3 開(kāi)關(guān)電源工作原理簡(jiǎn)述

在這張開(kāi)關(guān)電源原理圖中，我們可以簡(jiǎn)要地了解到電源的工作流程。從輸入端的交流電源開(kāi)始，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管的切換和變壓器的變壓作用，最終輸出穩(wěn)定的直流電源。這個(gè)過(guò)程不僅涉及到電路的基本知識(shí)，還包括了功率轉(zhuǎn)換、電磁兼容等復(fù)雜的技術(shù)。通過(guò)這張?jiān)韴D，我們可以對(duì)開(kāi)關(guān)電源的工作原理有一個(gè)更加直觀和全面的認(rèn)識(shí)。

在探討開(kāi)關(guān)電源的工作原理時(shí)，我們遇到一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：在電流模式下，為了穩(wěn)定斜坡并確保占空比大于50%時(shí)的性能，需要引入斜坡補(bǔ)償。這一機(jī)制涉及到額外的補(bǔ)償斜坡，其具體實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)復(fù)雜，需要深入理解。此外，誤差放大器在開(kāi)關(guān)電源中扮演著至關(guān)重要的角色。它負(fù)責(zé)對(duì)反饋電壓進(jìn)行采樣處理，進(jìn)而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)功率MOS管的PWM信號(hào)，從而確保輸出電流或電壓的恒定。這一過(guò)程如圖所示，通過(guò)誤差放大器的精準(zhǔn)控制，我們可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定輸出。

驅(qū)動(dòng)電路部分結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔，核心部件是面積廣闊的MOS管，其電流驅(qū)動(dòng)能力十分出色。

其他模塊電路在芯片設(shè)計(jì)中扮演著不可或缺的角色，它們雖不直接涉及原理核心，卻對(duì)芯片的正?？煽抗ぷ髦陵P(guān)重要。具體而言，這些模塊電路包括啟動(dòng)模塊和過(guò)壓保護(hù)模塊OVP等。啟動(dòng)模塊的任務(wù)是在上電瞬間啟動(dòng)芯片工作，避免晶體管電流在上電時(shí)為零并維持不變，導(dǎo)致芯片無(wú)法工作。其工作原理類(lèi)似于“點(diǎn)火”過(guò)程，通過(guò)一系列開(kāi)關(guān)操作，最終使芯片啟動(dòng)并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。而過(guò)壓保護(hù)模塊OVP則是在輸入電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)揮作用，通過(guò)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷輸出，從而保護(hù)芯片免受損壞。這一模塊通過(guò)比較器設(shè)定保護(hù)點(diǎn)，確保在危險(xiǎn)情況下能夠及時(shí)作出反應(yīng)。

3、過(guò)溫保護(hù)模塊OTP

為了保護(hù)芯片免受異常高溫的損害，我們引入了過(guò)溫保護(hù)模塊OTP。其工作原理基于晶體管的溫度特性，通過(guò)比較器來(lái)設(shè)定保護(hù)點(diǎn)，從而在溫度過(guò)高時(shí)及時(shí)關(guān)斷輸出，確保芯片的安全。

4、過(guò)流保護(hù)模塊OCP

在諸如輸出短路等異常情況下，為了確保電路的安全，我們需要采取過(guò)流保護(hù)措施。過(guò)流保護(hù)模塊OCP通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電流，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)輸出管進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷或限流功能。其工作原理是利用晶體管的電流與面積成正比這一特性進(jìn)行電流采樣，通常采樣管Q2的面積僅為輸出管面積的千分之一。然后，通過(guò)電壓比較器對(duì)采樣信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而控制MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)流的保護(hù)。

還有一些其他輔助模塊設(shè)計(jì)，例如恒流源和電流鏡。在集成電路(IC)內(nèi)部，偏置電流起著至關(guān)重要的作用，它決定了每個(gè)晶體管的工作狀態(tài)。恒流源電路作為所有電路的基石，為帶隙基準(zhǔn)的生成提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。而電流鏡則負(fù)責(zé)為各個(gè)功能模塊分配電流，其工作原理類(lèi)似于鏡像，通過(guò)晶體管的面積比例來(lái)精確設(shè)置所需的電流大小。

深入剖析開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部構(gòu)造

當(dāng)我們打開(kāi)一臺(tái)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，首先映入眼簾的是密密麻麻的電子元件。

這些看似雜亂無(wú)章的小物件，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)精密復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)。

在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)零件都扮演著至關(guān)重要的角色，共同協(xié)作以實(shí)現(xiàn)電源的功能需求。

那么，具體來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部包含哪些主要組成部分呢?

輸入整流濾波電路是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的第一道防線。

它的作用是對(duì)輸入的交流市電進(jìn)行初步處理，將其轉(zhuǎn)化為較為平滑的直流電壓信號(hào)。

通常由橋式整流器和大容量電解電容組成。

橋式整流器負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電流，而電解電容則進(jìn)一步濾除其中的紋波成分，確保后續(xù)電路能夠獲得相對(duì)純凈的直流電。

緊接著是功率變換電路，這是開(kāi)關(guān)電源的核心部分。

在這里，通過(guò)高頻變壓器和功率開(kāi)關(guān)管等關(guān)鍵器件，實(shí)現(xiàn)了從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的能量傳遞過(guò)程。

功率開(kāi)關(guān)管(如MOSFET或IGBT)根據(jù)控制信號(hào)周期性地導(dǎo)通與截止，使得初級(jí)繞組中的電流形成脈沖形式，進(jìn)而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

該磁場(chǎng)感應(yīng)至次級(jí)繞組后，經(jīng)過(guò)整流濾波環(huán)節(jié)即可得到所需的穩(wěn)定直流輸出電壓。

為了保證輸出電壓的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，還需要引入反饋控制電路。

此電路通過(guò)檢測(cè)實(shí)際輸出值并與預(yù)設(shè)目標(biāo)值進(jìn)行比較，然后將誤差信號(hào)反饋給PWM控制器。

PWM控制器根據(jù)接收到的信息調(diào)整占空比大小，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)，最終達(dá)到精確調(diào)控輸出電壓的目的。

可以說(shuō)，反饋控制電路就像一位盡職盡責(zé)的管家，時(shí)刻守護(hù)著電源系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

此外，還有許多輔助性功能模塊也不容忽視。

例如，保護(hù)電路可以有效防止因過(guò)載、短路或溫度過(guò)高而導(dǎo)致的損壞風(fēng)險(xiǎn);啟動(dòng)電路則確保電源在接通電源瞬間能夠順利啟動(dòng)并進(jìn)入正常工作模式;而EMI濾波器則用于抑制電磁干擾，提升整體系統(tǒng)的抗擾性能。

看到這里，你可能會(huì)問(wèn)：“既然開(kāi)關(guān)電源如此復(fù)雜，那么它是如何一步步發(fā)展起來(lái)的呢?”

其實(shí)，早在20世紀(jì)60年代初，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，特別是晶體管的發(fā)明與應(yīng)用，為開(kāi)關(guān)電源的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

早期的開(kāi)關(guān)電源主要用于軍事及航空航天等領(lǐng)域，因其具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。

隨后，在消費(fèi)電子市場(chǎng)的推動(dòng)下，開(kāi)關(guān)電源逐漸走向民用化，并迅速普及開(kāi)來(lái)。

隨著市場(chǎng)需求的變化和技術(shù)水平的不斷提升，開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)理念也經(jīng)歷了多次革新。

從最初的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到后來(lái)出現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，每一次改進(jìn)都旨在提高效率、降低損耗并優(yōu)化性能表現(xiàn)。

同時(shí)，新材料的應(yīng)用也為開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

例如，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，使得功率器件能夠在更高頻率下穩(wěn)定工作，進(jìn)一步提升了電源的整體效能。

如今，面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)與環(huán)保壓力，如何進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的能效成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

為此，研究人員正積極探索新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、先進(jìn)控制算法以及智能化管理方案等多種途徑，力求在保持原有優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更加綠色高效的能源轉(zhuǎn)換效果。

既然了解了開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部各主要組成部分的作用，接下來(lái)我們將重點(diǎn)探討其中一個(gè)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)——功率變換電路的工作原理及其重要性。

功率變換電路：核心之所在

功率變換電路作為開(kāi)關(guān)電源的心臟部位，承擔(dān)著將輸入能量高效轉(zhuǎn)換并傳輸至負(fù)載端的重大使命。

它的工作原理基于電磁感應(yīng)定律和基爾霍夫定律等基本物理規(guī)律，通過(guò)巧妙運(yùn)用這些理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，初級(jí)繞組中的電流開(kāi)始上升，形成儲(chǔ)能磁場(chǎng);而當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，儲(chǔ)存于磁場(chǎng)中的能量便會(huì)釋放出來(lái)，經(jīng)由次級(jí)繞組傳遞給負(fù)載。

這種周期性的充放電循環(huán)構(gòu)成了開(kāi)關(guān)電源最基本的運(yùn)作機(jī)制。

值得注意的是，在整個(gè)過(guò)程中，高頻變壓器起到了至關(guān)重要的橋梁作用。

它不僅實(shí)現(xiàn)了初次級(jí)之間的電氣隔離，還通過(guò)合理設(shè)計(jì)匝數(shù)比關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓幅值的有效調(diào)控。

與此同時(shí)，變壓器本身也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如漏感問(wèn)題、磁芯飽和現(xiàn)象等，這些問(wèn)題如果處理不當(dāng)，將會(huì)嚴(yán)重影響電源系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師們需要綜合考慮多方面因素，精心挑選合適的磁芯材料，并采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，以確保變壓器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。